基于物模实验的浅水波浪谱模型源项的研究

摘要

由第三代海浪模型WAM改进而来的SWAN模型在推算近岸区的海浪要素时有十分广泛的应用，它可以进行从实验室到大陆架海尺度的波浪生成和传播的计算。SWAN模型在近岸浅水区的模拟精度较高是因其增加了变浅诱导的破碎项和三波相互作用项。由于SWAN在大范围海浪生成和耗散的模拟中作用源项过多，导致很难单独细致的分析这两个源项对模拟过程的影响。因此本文基于物理过程较为简单、变浅破碎和三波相互作用起主要影响的浅水斜坡地形的波浪传播破碎实验，将SWAN模型的模拟结果与实测的有效波高、谱平均周期、海浪谱等结果进行对比，深入分析了这两个源项设置分别对SWAN模型数值计算结果的影响。 首先，本文基于SWAN模式，结合物理模型实验地形和不规则波入射工况设置，采用直接输入初始测点的实测海浪谱进行造波，建立了能合理模拟波浪浅化破碎的一维SWAN模型。 其次，本文在SWAN模型中将三波相互作用和浅化破碎项设置为默认的算法，并同实测的有效波高、谱平均周期和海浪谱进行了对比。对比研究发现，有效波高的模拟结果基本可以反映出实测破碎过程中的波高增长和衰减，破碎参数的设置是影响其结果的关键因素。本文通过分析给出了破碎参数为常数时适宜的取值范围。谱平均周期和海浪谱的演化主要受到三波相互作用项计算的影响，但SWAN模型的三波相互作用近似算法导致计算的海浪谱型与实测差异较大，出现高频高估、低频低估等现象，这使得谱平均周期计算值明显偏小。所以想要提高近岸区谱平均周期和海浪谱的模拟精度，则SWAN模型中三波非线性项仍需得到更多研究和改进。 另外，本文介绍和模拟了一种新型的SWAN模式浅水破碎参数的取值方案，该方案综合考虑了地形坡度和平均波数的影响。与破碎参数设定为常数时的模拟结果相比破碎带前的波高精度得到了提高，但对重要参数的合理取值仍需更多地形的研究和验证。 考虑到SWAN模型中三波相互作用项是影响周期和频谱模拟结果的主要因素，且计算结果在波浪破碎后同实测差异较大，因此本文将SWAN模型与具有良好非线性的高阶Boussinesq方程模型结果进行了对比，结果表明在波浪破碎后Boussinesq方程模型计算的谱平均周期和海浪谱与实测更为吻合。将SWAN模型与物理模型和Boussinesq方程模型进行对比后的结果说明SWAN模式三波相互作用项的近似算法仍有改进的必要。 本文的研究可以为SWAN模型在实际应用中的源项设置提供参考，且可为其日后的改进工作提供依据和方向。

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